توسعه استفاده از معادلات حالت بنیادی در شبیه‌سازی سیستم‌های کرایوژنیکی؛ مطالعه موردی: چرخه سرمازای برایتون معکوس مورد استفاده در تاسیسات کابل‌ اچ‌تی‌اس

عدم وجود معادله حالت دقیق در گستره وسیعی از دما و فشار جهت پیش‌بینی خواص ترموفیزیکی مواد، محققان را به مطالعه و تحقیق بر روی معادلات دقیق‌تر سوق داده است. معادلات حالت بنیادی، معادلاتی هستند که بر حسب انرژی هلمهولتز صریح شده‌اند. این معادلات به ویژه در محدوده دمایی کرایوژنیک (دماهای زیر 120 کلوین)، دارای دقت مناسبی در پیش‌بینی خواص ترموفیزیکی هستند. در این تحقیق، به منظور معرفی قابلیت های این دسته از معادلات حالت در پیش بینی دقیق خواص ترمودینامیکی و کارایی آنان در شبیه سازی سیستم های کرایوژنیکی، طراحی و شبیه سازی رایانه‌ای چرخه برایتون معکوس دماپایین به منظور تامین نیتروژن مایع مورد نیاز جهت ایجاد شرایط ابررسانایی در یک کیلومتر کابل انتقال قدرت اچ‌تی‌اس مدنظر قرار گرفته است. در ابتدا یک کد محاسباتی با استفاده از معادلات حالت بنیادی به منظور پیش‌بینی خواص ترمودینامیکی مبردهای هلیم و نیون در گستره وسیعی از دما و فشار توسعه داده شده است. مقایسه نتایج پیش بینی خواص ترمودینامیکی با داده‌های تجربی معتبر، دقت بالای معادلات حالت بنیادی را در پیش‌بینی خواص ترموفیزیکی، مورد تایید قرار می‌دهد. در ادامه با استفاده از کد محاسباتی توسعه داده شده جهت پیش بینی خواص ترمودینامیکی سیالات کرایوژنیکی، یک چرخه برایتون معکوس با ظرفیت سرمایش 10 کیلووات طراحی و شبیه سازی شده و اثر پارامترهای مختلف طراحی بر عملکرد آن ارزیابی شده است. به منظور آنالیز حساسیت عملکرد چرخه نسبت به پارامترهای طراحی، نمودارهای مشخصه عملکرد چرخه تحت شرایط عملیاتی مختلف ارایه شده و تاثیر پارامترهای نسبت تراکم، فشار بیشینه، نوع مبرد، بازده مبدل بازیاب و بازده منبسط‌کننده بر عملکرد چرخه مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج حاصل از شبیه‌سازی چرخه مشخص شد که استفاده از مبرد نیون کارایی بهتری را نسبت به مبرد هلیم به دست می‌دهد. بازده مبدل بازیاب حرارتی اثر چشمگیری بر عملکرد سیکل دارد به نحوی که با افزایش 3 درصدی آن می‌توان عدد شایستگی سیکل را تا 11 درصد افزایش داد.